Complicaciones_Diabetes

Identificación de retinopatías

El Propósito del siguiente trabajo es identificar los pacientes que tienen complicaciones diabéticas, como lo son la neuropatía, nefropatía y retinopatía de notas médicas. Es el trabajo final del curso Clinical Natural Language Processing impartido en Coursera. Las notas medicas se encuentran en el siguiente link para el entrenamiento del modelo:

https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/diabetes_notes.csv

Y los datos para su validación se encuentran en el siguiente link:

https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/glodstandrad.csv

En primera instancia, se crea el siguiente código para ignorar los warnings:

import warnings
warnings.filterwarnings("ignore", 'This pattern has match groups')
datos = "https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/diabetes_notes.csv"
df = pd.read_csv(datos)


# Importando las paqueterías necesarias:
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import re
import numpy as np
from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report

# Lectura de datos
datos = "https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/diabetes_notes.csv"
df = pd.read_csv(datos)

# Análisis grafico de los datos
fig, ax = plt.subplots()
ax.bar(df['NOTE_ID'],df['TEXT'].str.split().apply(len))

# Cantidad de palabras por reporte de cada paciente identificado por un id
conteo = df['TEXT'].str.split().apply(len).tolist()
print('Media de palabras: ' + str(np.mean(conteo)))
print('Mediana de palabras: ' + str(np.median(conteo)))
print('Minimo de palabras: ' + str(np.min(conteo)))
print('Maximo de palabras: ' + str(np.max(conteo)))

def reporte_paciente(id):
    resumen = re.findall(r"\w+", str(df[df.NOTE_ID == id]['TEXT'].tolist() ))
    return resumen

# print(reporte_paciente(1))

Ahora, se genera una función la cual recibe nuestro DataFrame con las notas médicas, la palabra a buscar y el tamaño de la ventana

Función sin expresiones regulares

def extract_text_window(df, word, window_size, column_name = "TEXT"):
    
    #Constants
    user_input = f'({word})'
    regex = re.compile(user_input)
    
    negative = f'(no history of {word}|No history of {word}|any comorbid complications|family history|father also has {word}|denies {word}|Negative for {word})'
    regex_negative = re.compile(negative)
    
    half_window_size = window_size 
    final_df = pd.DataFrame([])
    column_position = df.columns.get_loc(column_name) + 1  #We add 1 cause position 0 is the index
    
    
    #Loop for each row of the column
    for row in df.itertuples():
        
        #Loop for multiple matches in the same row
        for match in regex.finditer(row[column_position]):

            window_start = int([match.start()-half_window_size if match.start()>=half_window_size else 0][0])
            window_end = int([match.end() + half_window_size if match.end()+half_window_size <= len(row[column_position]) else len(row[column_position])][0])
            

            final_df = final_df.append({
                                        "WORD": match.group(),
                                        "START_INDEX": match.start(),
                                        "WINDOW_START": window_start,
                                        "WINDOW_END": window_end,
                                        "CONTEXT": row[column_position][window_start:window_end],
                                        "FULL_TEXT": row[column_position],
                                        "NOTE_ID": row[1]},
                                        ignore_index=True)
    #Extracción de negativos
        for match in regex_negative.finditer(row[column_position]):
            final_df2 = final_df[final_df["CONTEXT"].str.contains(pat = regex_negative, regex = True)==False]

    return "No matches for the pattern" if len(final_df) == 0 else  final_df2
    
    

# Buscando diabet en las notas médicas
df = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/diabetes_notes.csv")
word = "diabet"
window_size = 50 #tamaño de la ventana

diabetes_notes_window = extract_text_window(df,word,window_size)

diabetes_notes_window 

Se crea una segunda función la cual recibe nuestro DataFrame con nuestras notas médicas, nuestra expresión regular para la palabra a buscar, expresión regular para las expresiones como "historial familiar, no tiene historial de diabetes, no se ha identificado diabetes" entre otras y el tamaño de la ventana al rededor de la palabra a buscar.

Función con expresiones regulares

def extract_text_window_pro(df, pattern,negatives, window_size, column_name = "TEXT"):
    
    #Constants
    half_window_size = window_size 
    final_df = pd.DataFrame([])
    column_position = df.columns.get_loc(column_name) + 1  #We add 1 cause position 0 is the index
    
    
    #Loop for each row of the column
    for row in df.itertuples():
        
        #Loop for multiple matches in the same row
        for match in re.finditer(pattern,row[column_position]):

            window_start = int([match.start()-half_window_size if match.start()>=half_window_size else 0][0])
            window_end = int([match.end() + half_window_size if match.end()+half_window_size <= len(row[column_position]) else len(row[column_position])][0])
            

            final_df = final_df.append({
                                        "WORD": match.group(),
                                        "START_INDEX": match.start(),
                                        "WINDOW_START": window_start,
                                        "WINDOW_END": window_end,
                                        "CONTEXT": row[column_position][window_start:window_end],
                                        "FULL_TEXT": row[column_position],
                                        "NOTE_ID": row[1]},
                                        ignore_index=True)
            #Extracción de negativos
            final_df2 = final_df[final_df["CONTEXT"].str.contains(pat = negatives, regex = True)==False]

    return "No matches for the pattern" if len(final_df) == 0 else  final_df2


# Buscando diabet en las notas médicas

df = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/diabetes_notes.csv")
pattern = "diabetes|diabetic" #"(?<![a-zA-Z])diabet(es|ic)?(?![a-zA-Z])"
window_size = 50
negatives = r"no history of (?<![a-zA-Z])diabet(es|ic)?(?![a-zA-z])|No history of (?<![a-zA-Z])diabet(es|ic)?(?![a-zA-z])|den(ies|y)? any comorbid complications|family history|negative for (?<![a-zA-Z])diabet(es|ic)?(?![a-zA-z])|(father|mother) (also)? (?<![a-zA-Z])diabet(es|ic)?(?![a-zA-z])|Negative for (?<![a-zA-Z])diabet(es|ic)?(?![a-zA-z]) |no weakness, numbness or tingling|patient's mother and father|father also has diabetes"


diabetes_notes_window = extract_text_window_pro(df,pattern,negatives,window_size)

diabetes_notes_window

A continuación, es momento de obtener mediante la función, con expresiones regulares, los DataFrame para neuropathy, nephropathy y retinopathy.

diabetes_notes_window.drop_duplicates(subset=["NOTE_ID"])


neuropathy = diabetes_notes_window[diabetes_notes_window['CONTEXT'].str.contains(pat=r"(?<![a-zA-Z])neuropath(y|ic)?(?![a-zA-z])|diabetic nerve pain|tingling",regex=True)]
neuropathy['COMPLICATIONS'] = "neuropathy"
diabetes_notes_neuropathy = neuropathy[['NOTE_ID','CONTEXT','COMPLICATIONS']].drop_duplicates(subset=['NOTE_ID'])
print(diabetes_notes_neuropathy)
print(diabetes_notes_neuropathy.count())


nephropathy =  diabetes_notes_window[diabetes_notes_window['CONTEXT'].str.contains(pat=r"(?<![a-zA-Z])nephropathy(?![a-zA-z])|renal (insufficiency|disease)",regex=True)]
nephropathy['COMPLICATIONS'] = "nephropathy"
diabetes_notes_nephropathy = nephropathy[['NOTE_ID','CONTEXT','COMPLICATIONS']].drop_duplicates(subset=['NOTE_ID'])
print(diabetes_notes_nephropathy)
print(diabetes_notes_nephropathy.count())


retinopathy = diabetes_notes_window[diabetes_notes_window['CONTEXT'].str.contains(pat=r"(?<![a-zA-Z])retinopath(y|ic)?(?![a-zA-z])",regex=True)]
retinopathy['COMPLICATIONS'] = "retinopathy"
diabetes_notes_retinopathy = retinopathy[['NOTE_ID','CONTEXT','COMPLICATIONS']].drop_duplicates(subset=['NOTE_ID'])
print(diabetes_notes_retinopathy)
print(diabetes_notes_retinopathy.count())

Para validar que nuestras funciones estén obteniendo bien la información, se hace el uso del segundo link el cual se nos fue proporcionado para la validación de estas notas médicas.

# Con el link antes mencionado de validación se crean los DataFrame para cada patología 

datos_verificacion = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/hhsieh2416/Identify_Diabetic_Complications/main/data/glodstandrad.csv")

datos_verificacion_neuropathy = datos_verificacion[datos_verificacion['DIABETIC_NEUROPATHY']==1][['NOTE_ID','DIABETIC_NEUROPATHY']]
print(datos_verificacion_neuropathy)
print(datos_verificacion_neuropathy.count())

datos_verificacion_nephropathy = datos_verificacion[datos_verificacion['DIABETIC_NEPHROPATHY']==1][['NOTE_ID','DIABETIC_NEPHROPATHY']]
print(datos_verificacion_nephropathy)
print(datos_verificacion_nephropathy.count())

datos_verificacion_retinopathy = datos_verificacion[datos_verificacion['DIABETIC_RETINOPATHY']==1][['NOTE_ID','DIABETIC_RETINOPATHY']]
print(datos_verificacion_retinopathy)
print(datos_verificacion_retinopathy.count())

Es necesario reunir los datos obtenidos por nuestro modelo con los datos de validación, tarea que es hecha por una unión, usando como llave el identificador de cada paciente NOTE_ID.

# Realizamos joins de nuestros DataFrame con las tablas de validación

ver_neuro = pd.merge(datos_verificacion_neuropathy, diabetes_notes_neuropathy, how = 'outer', on = 'NOTE_ID', indicator=True)
print(ver_neuro)

ver_nephro = pd.merge(datos_verificacion_nephropathy, diabetes_notes_nephropathy, how = 'outer', on = 'NOTE_ID', indicator=True)
print(ver_nephro)

ver_retino = pd.merge(datos_verificacion_retinopathy, diabetes_notes_retinopathy, how = 'outer', on = 'NOTE_ID', indicator=True)
print(ver_retino)

El primer análisis es realizar conteos para cada complicación, con el fin de saber cuantos falsos positivos y negativos se encuentran, con estos valores se construye la matriz de confusión.

# Se realizan los conteos

conteo_na_neuro_falso_positivo = ver_neuro['DIABETIC_NEUROPATHY'].isna().sum()
conteo_na_nephro_falso_positivo = ver_nephro['DIABETIC_NEPHROPATHY'].isna().sum()
conteo_na_retino_falso_positivo = ver_retino['DIABETIC_RETINOPATHY'].isna().sum()

print('Pacientes sin complicaciones pero que si se identifican: ', conteo_na_neuro_falso_positivo+conteo_na_nephro_falso_positivo+conteo_na_retino_falso_positivo)

Pacientes sin complicaciones pero que si se identifican: 5

conteo_na_neuro_falso_negativo = ver_neuro['COMPLICATIONS'].isna().sum()
conteo_na_nephro_falso_negativo = ver_nephro['COMPLICATIONS'].isna().sum()
conteo_na_retino_falso_negativo = ver_retino['COMPLICATIONS'].isna().sum()

print('Pacientes con complicaciones que no fueron detectados: ', conteo_na_neuro_falso_negativo + conteo_na_nephro_falso_negativo + conteo_na_retino_falso_negativo)

Pacientes con complicaciones que no fueron detectados: 13

conteo_correcto_neuro = len(ver_neuro[ver_neuro['_merge'] == 'both'])

conteo_correcto_nephro = len(ver_nephro[ver_nephro['_merge'] == 'both'])

conteo_correcto_retino = len(ver_retino[ver_retino['_merge'] == 'both'])


print('Pacientes que tienen complicaciones diabetes que si se encontaron: ', conteo_correcto_nephro+conteo_correcto_neuro+conteo_correcto_retino)

Pacientes que tienen complicaciones diabetes que si se encontaron: 15

conteo_complicacion_neuro = len( ver_neuro[ver_neuro['DIABETIC_NEUROPATHY'] == 1] )
conteo_complicacion_nephro = len( ver_nephro[ver_nephro['DIABETIC_NEPHROPATHY'] == 1] ) 
conteo_complicacion_retino = len( ver_retino[ver_retino['DIABETIC_RETINOPATHY'] == 1] ) 
print('Pacientes que tienen complicaciones diabeticas: ', conteo_complicacion_neuro +conteo_complicacion_nephro + conteo_complicacion_retino )

Pacientes que tienen complicaciones diabeticas: 28

Matriz de Confusión.

Procedemos con la evaluación usando la función classification_report de la paqueteria sklearn. Iniciamos con neuropatia, primero debemos llenar todos los espacios con NA (obtenidos de la unión) usando el valor de cero. Una vez completado esto, hacemos la comparación de las dos columnas.

cor_neuro = datos_verificacion[['NOTE_ID', 'DIABETIC_NEUROPATHY']].merge(diabetes_notes_neuropathy[['NOTE_ID','COMPLICATIONS']], how='outer',  on='NOTE_ID', indicator=True )
cor_neuro['COMPLICATIONS'] = cor_neuro['COMPLICATIONS'].map(d_neuro).fillna(0)

print('---NEUROPATHY---')
print(cor_neuro)

print(classification_report(cor_neuro['DIABETIC_NEUROPATHY'].tolist(), cor_neuro['COMPLICATIONS'].tolist()))

Teniendo la siguiente evaluación:

EL método muestra las principales métrica de precisión haciendo uso de los falsos y verdaderos positivos, junto a los falsos y verdaderos negativos. Recall es la capacidad del clasificador de encontrar los ejemplares positivos, teniendo un valor de 0.73. F1-Score evalua cuantas predicciones positivas correctas se tiene, el macropromedio es de 0.77. Teniendo un soporte de 15 ejemplares positivos, 126 negativos, sumando un total de 141.

En segundo lugar, evaluamos nefropatia.

cor_nephro = datos_verificacion[['NOTE_ID', 'DIABETIC_NEPHROPATHY']].merge(diabetes_notes_nephropathy[['NOTE_ID','COMPLICATIONS']], how='outer',  on='NOTE_ID', indicator=True )
cor_nephro['COMPLICATIONS'] = cor_nephro['COMPLICATIONS'].map(d_nephro).fillna(0)
print('---NEPHROPATHY---')
print(cor_nephro)

print(classification_report(cor_nephro['DIABETIC_NEPHROPATHY'].tolist(), cor_nephro['COMPLICATIONS'].tolist()))

En este caso, el F1-score del macropromedio aumento a 0.88, mientras que el recall disminuyo a 0.73. Seguimos teniendo los 141 ejemplares.

Finalizando, tenemos retinopatia.

cor_retino = datos_verificacion[['NOTE_ID', 'DIABETIC_RETINOPATHY']].merge(diabetes_notes_retinopathy[['NOTE_ID','COMPLICATIONS']], how='outer',  on='NOTE_ID', indicator=True )
cor_retino['COMPLICATIONS'] = cor_retino['COMPLICATIONS'].map(d_retino).fillna(0)
print('---RETINOPATHY---')
print(cor_retino)

print(classification_report(cor_retino['DIABETIC_RETINOPATHY'].tolist(), cor_retino['COMPLICATIONS'].tolist()))

Esta ultima evalaución nos devuelve el f1-score más bajo de las tres evaluaciones, con 0.66 en el macropromedio. Notemos que es la complicaciones con menos casos positivos de los tres casos estudiados, contando con tres, de los cuales solo se encontro correctamente un ejemplar. Lo cual reduce el macropromedio considerablemente.